Анализ эксплуатационной надежности буксовых узлов с цилиндрическими подшипниками

1 Анализ эксплуатационной надежности буксовых узлов с цилиндрическими подшипниками

 

1.1 Причины повреждаемости буксовых  узлов с роликовыми подшипниками  в эксплуатации

 

Одной из основных закономерностей  повреждаемости буксовых узлов является четкая зависимость роста числа отказов в 1,5÷2 раза в осенне-зимний период времени. Эта закономерность отказов буксовых узлов связывается с влиянием температуры окружающего воздуха, изменениями в состоянии верхнего строения пути и соответствующим ростом действующих силовых факторов.

Другая закономерность состоит  в том, что в первые 2÷3 месяца эксплуатации буксовых узлов после полной ревизии  число отказов также значительно  выше, чем в последующий период. Это объясняется тем, что в  первый период выявляются отказы, связанные с недостаточно качественно выполненным подбором и монтажом буксовых узлов, а также взаимной приработкой всех основных сборочных единиц буксового узла.

Одним из дефектов буксовых узлов  является ослабление и разрушение торцового  крепления подшипников. Причиной этой неисправности является жесткая передача осевых нагрузок торцами роликов на приставной борт и на торцовое крепление. При этом передача осевых нагрузок происходит в несвойственном для подшипников качения режиме трения скольжения торца ролика по приставному кольцу, часто в условиях, когда смазка не обеспечивает надежного разделения трущихся поверхностей. Такой дефект может появиться также в результате нарушений технологии изготовления резьбовой части оси, монтажа буксовых узлов и ремонта колесных пар.

Это приводит в начале к ослаблению затяжки гайки из-за износов и  деформации резьбы. Дальнейшая работа ослабленного торцового крепления  сопряжена с большими напряжениями во впадине под первым витком резьбы, образованием трещины в основании  резьбы и срезом первого витка.

Такой вид повреждений имеет  тенденцию к дальнейшему росту  в связи с увеличением скорости движения и повышения использования  грузоподъемности вагона.

Поэтому для увеличения прочности  и надежности торцового крепления  в варианте с торцовой гайкой целесообразно перейти на изготовление резьбы на торце шейки оси с дополнительным пластическим демпферированием, накатыванием резьбы роликом и нанесением на резьбу уплотняющего герметика «Ступор».

Вариант торцового крепления с  помощью шайбы более работоспособен, но и в этом варианте происходит деформация и срез резьбы болтов или обрыв болтов.

Усталостные раковины на дорожках качения  наружных и внутренних колец и  роликов образуются в результате достижения предела контактно-усталостной  прочности металла дорожек качения. Этот процесс интенсифицируется из-за неудовлетворительного качества металла и его макроструктуры дополнительными силовыми факторами, появляющимися при неизбежных перекосах буксовых узлов и вертикальной и горизонтальной плоскостях. Наиболее характерными зонами зарождения раковин являются зоны у рабочих бортов. Такая закономерность является следствием концентрации напряжения из-за перекосов роликов между бортами и из-за перераспределения осевых нагрузок в дополнительную вертикальную составляющую нагрузку, максимальная величина которой сосредоточена у рабочего борта. С целью предотвращения этих дефектов подшипники изготавливаются с «бомбинированными» роликами, что позволяет им самоустанавливаться при перекосах букс и снижать концентрацию напряжений по сечениям концов роликов, а значит, и резко уменьшить частоту появления раковин.

Трещины и разрывы внутренних колец  появляются в эксплуатации преимущественно  в начальной стадии при небольших  пробегах. Причинами появления этого  дефекта могут стать плохое качество металла, нарушения термообработки, создающие в кольцах повышенные внутренние напряжения, нарушения технологии монтажа, допущенные при посадке внутренних колец на шейки осей.

При изготовлении колец в процессе шлифовки происходит локальный нагрев тонких поверхностных слоев до температур, соответствующих состоянию ползучести металла. При последующем охлаждении в наружном слое возникают растягивающие напряжения, а в нижних слоях – напряжения сжатия. В результате этих явлений в поверхностных волокнах остаточные растягивающие напряжения могут достигать значений 400…1000 МПа.

Эти напряжения суммируются с технологическими растягивающими напряжениями, возникающими от посадки внутренних колец на шейки  оси, и с напряжениями от действия рабочих нагрузок, что приводит к появлению трещин и разрывов. Кроме того, необходимо учитывать, что подшипниковая сталь имеет повышенную хрупкость из-за сквозной прокаливаемости и очень чувствительна к различным концентраторам напряжений.

Радикальным средством предупреждения образования трещин и разрывов внутренних колец является переход к изготовлению колец из стали с регламентируемой прокаливаемостью ШХ4, когда поверхностный слой получает твердость порядка 60…63 HRC, а внутренние волокна всего около 30 HRC.

Сколы борта внутреннего кольца заднего подшипника наблюдаются наиболее часто у колесных пар с креплением редуктора привода вагонного генератора к корпусу буксы.

В этом случае существенно возрастают динамические силы от необрессоренной  массы редуктора и буксового  узла, особенно в зимнее время года.

Скол борта происходит, как правило, по шагу расположения роликов. Этот дефект является следствием усталостных трещин, возникающих под действием динамических сил в зоне технологической выкружки у основания борта из-за грубых рисок, остающихся после токарной обработки, и термических трещин.

Термические трещины в бортах возникали  от сильного нагрева при трении неправильно  подобранного сепаратора о борт кольца.

Частоту скола борта внутреннего  кольца можно существенно уменьшить, применяя для его изготовления сталь регламентированной прокаливаемости.

Ослабление натяга посадки (проворот) внутреннего кольца на шейке оси  происходит из-за неправильного подбора  и определения величины посадочного  натяга внутренних колец, а также  из-за несоблюдения температурного режима монтируемых деталей.

Натяг на посадку внутренних колец  в соответствии с действующей  инструкцией должен быть от 30 до 65 мкм. Однако из-за недостаточной точности измерений на существующих измерительных  приспособлениях или недостатка технологической дисциплины иногда встречаются отклонения.

При измерениях различают  два вида натяга – измеренный и эффективный . Измеренный натяг определяется как разность диаметра шейки и кольца, по формуле1.1

 

. (1.1)

 

Эффективный натяг равен измеренному  за вычетом величины уменьшения натяга вследствие смятия гребешков  на посадочных поверхностях и деформации сжатия шейки при посадке внутреннего кольца.

В реальной практике работы при определении натягов шайки оси и внутренние кольца могут иметь различную температуру из-за нагрева при обмывке. В результате после посадки колец на шейки и последующего выравнивания температур эффективный натяг может измениться в соответствии с формулой 1.2

 

, (1.2)

 

где – величина уменьшение или увеличение натяга вследствие разницы температур монтируемых деталей, определяемая выражением 1.3

 

. (1.3)

 

Приравняв (после первой посадки за счет деформации гребешков) получим формулу 1.4

 

. (1.4)

 

Приравняем это выражение нулю и получим формулу 1.5

 

. (1.5)

 

Подставив конструктивные значения мм и мм, получим, что при разности температур кольца и шейки в 18˚С произойдет либо полное ослабление натяга посадки, либо его удвоение.

Поэтому с целью недопущения  этих явлений необходимо обеспечить выравнивание температур шеек осей и подшипников относительно температур окружающего воздуха после их обмывки в моечных машинах или обточки элементов колесных пар.

Измерение шеек осей после обмывки  в моечных машинах можно производить  через 12 часов или через 2 часа после  обточки, а измерение подшипников – через 8 часов после обмывки.

Неисправности торцов роликов и  бортов колец объясняется тем, что  осевая сила, действующая на подшипник, воспринимается этими рабочими поверхностями  в несвойственном для подшипника качения режиме трения скольжения пары торец ролика – борт кольца. Применяемая смазка ЛЗ-ЦНИИ не создает достаточно прочной масляной пленки на трущихся поверхностях, не обеспечивает в полной мере жидкостной режим трения и, хотя и содержит в своем составе антизадирные присадки, не исключает появление износов, рисок и задиров на торцах роликов и упорных поверхностях бортов.

Осмотры роликовых подшипников  показали, что износы этих поверхностей резко интенсифицируются при наличии не перпендикулярности упорных поверхностей бортов к дорожке качения кольца.

В процессе эксплуатации установлено, что с увеличением  наработки исходная форма вследствие износа трущихся поверхностей претерпевает значительные изменения. Причем износ сопровождается увеличением площади контакта, воспринимающей осевую нагрузку.

У бортов колец и роликов  изменение начальной геометрии  сопровождается снижением твердости  с 61…63 HRC до 54…60 HRC.

Установлено, что след износа на рабочем борте наружного кольца наружного кольца имеет различный характер – он более широк в зоне восприятия радиальной нагрузки. В этой же зоне могут появляться и трещины борта.

Износ торцов ролика носит  также неравномерный характер со стороны борта внутреннего кольца он ступенчатый, исчисляемый иногда десятками микрон, а со стороны рабочего борта наружного кольца – тороидальный. Следовательно, осевая нагрузка воспринимается главным образом роликами, несущими радиальную нагрузку, а контакт роликов с бортом внутреннего кольца происходит при более высоких скоростях относительного проскальзывания.

Все эти износы сопровождаются повышенными температурами буксового  узла, что в сочетании с другими  неблагоприятными факторами может  привести к уменьшению осевого зазора и даже заклиниванию роликов между бортами наружного кольца.

Уменьшение осевого  зазора в подшипнике можно определить из формулы 1.6

 

, (1.6)

 

где – ширина дорожки качения наружного кольца;

      – длина ролика;

      и – нагрев в эксплуатации соответственно наружного кольца и ролика.

Исследования показывают, что разница температур наружного  кольца и ролика может достигать 60˚С, а это приведет к уменьшению осевого зазора примерно на 40 мкм, а с учетом действия других факторов и к полному исчезновению осевого зазора в подшипнике. Поэтому величину осевого зазора приняли в пределах 70…150 мкм.

Особую группу дефектов подшипников составляют коррозионные повреждения в виде коррозионных раковин, поверхностной и точечной коррозии на роликах и дорожках качения колец. Причинами их появления является попадание воды в подшипник в процессе длительного отстоя подвижного состава и при обмывке колесных пар без выполнения полной ревизии.

Смазка ЛЗ-ЦНИИ обладает повышенной гигроскопичностью и  в своем составе имеет щелочи и кислоты. Все это в совокупности создает агрессивную среду, вызывающую коррозию несущих и посадочных поверхностей подшипника.

 

 

1.2 Анализ повреждаемости и пути повышения эксплуатационной надежности буксового узла с цилиндрическими подшипниками

 

При эксплуатации грузовых вагонов в течение 2010 г. на сети ОАО  «РЖД» допущен 841 случай браковки грузовых вагонов, находящихся в эксплуатации после проведения им плановых видов ремонта на предприятиях Центральной дирекции по ремонту грузовых вагонов. Проведенными расследованиями установлено, что случаи браков по вагонам в процентном отношении распределились следующим образом:

• грение буксового узла – 94,2%;
• столкновение при маневрах – 0,02%;
• задержки поездов на перегоне более 1-го часа – 0,02%;
• неисправности автосцепного оборудования – 0,017%
• отцепки вагонов по технологическим неисправностям – 0,008%;
• сход вагонов в грузовом поезде – 0,008.

Несложный анализ допущенных случаев брака в ремонте грузовых вагонов показывает, что наибольшее количество брака в поездной работе допущено по грению буксового узла.

При разработке стратегии  по повышению надежности работы буксовых узлов с роликовыми подшипниками специалисты Центральной дирекции выделяют основные группы причин грения буксового узла, к которым относят:

• неисправности торцового крепления;
• дефекты смазки буксового узла;
• неисправности подшипников;
• прочие причины неисправностей буксового узла.

Анализируя более детально браки по неисправности буксового узла были рассмотрены все причины, объединенные в группах.

Данные анализа представлены в таблице 1.1.

На основании проведенного анализа случаев по неисправности  буксовых за прошедший год можно  выделить несколько направлений в работе, связанной с повышением надежности этого узла.

Первое направление  касается существующей конструкции  буксового узла. Под ним подразумевается  разработка организационно-технических  мероприятий по повышению качества плановых видов ремонта, надежности работы подвижного состава, снижению количества отказов технических средств и случаев брака.

 

 

 

Таблица 1.1- Анализ брака  по неисправности буксовых узлов  на сети дорог

№	Причины отцепок вагонов  по грению буксового узла	Количество
1	Ослабление торцового крепления	11,87
2	Разрушение торцового  крепления	2,15
3	Неисправности сепаратора подшипника	2,9
4	Недостаток (излишек) смазки	2,02
5	Обводнение смазки	11,24
6	Загрязнение смазки	2,65
7	Полное разрушение подшипников	0,76
8	Неисправности колец подшипников	23,74
9	Трещины (изломы) упорных  колец	3,66
10	Неисправности роликов  всего:	15,28
11	Разноразмерность роликов  по диаметру и длине	4,55
12	Неправильный подбор подшипников	7,2
13	Неисправности корпусов букс	3,16
14	Неисправности лабиринтных уплотнений	6,19
15	Наличие дефектов на поверхности  катания колес	0,10
16	Неисправности тележек	2,53
ВСЕГО		100